Технология памяти PCM – новые разработки

--> Дата: Июн 6, 2016 52

Исследователи из IBM Research впервые продемонстрировали надежное хранение трех битов данных в одной ячейке с использованием относительно новой технологии PCM (phase-change memory) – памяти на основе фазового перехода.

В настоящее время запоминающие устройства представлены оперативной памятью DRAM, жесткими дисками и флэш-памятью. Но в последние несколько лет PCM привлекает внимание специалистов в качестве потенциальной универсальной технологии памяти, которая сочетает в себе высокие показатели скорости считывания/записи, износостойкости, устойчивости и плотности. Например, в отличие от DRAM, PCM сохранит данные даже при отключении источника питания. Кроме того, новая технология памяти сможет выдержать по меньшей мере 10 млн циклов перезаписи, (USB-флэшка – максимум 3000).

Новая технология может ускорить машинное обучение и доступ к Интернету вещей, мобильным приложениям и облачным хранилищам. Ученые IBM ожидают, что PCM будет применяться самостоятельно или в составе гибридных приложений, сочетающих PCM и флэш-память; в последнем случае PCM выступает в роли высокоскоростного кэша. Применение PCM позволит запускать ОС мобильного телефона за пару секунд. На предприятиях память PCM может использоваться для хранения целых баз данных, давая возможность быстро обрабатывать срочные запросы в онлайн-приложениях, например, проводить финансовые транзакции.

Алгоритмы машинного обучения, использующие обширные наборы данных, также получат быстрое распространение – благодаря значительному уменьшению времени задержки в процессе считывания данных между циклами.

Работа PCM основана на том, что соответствующие материалы демонстрируют два устойчивых состояния: аморфную (без четко определенной структуры) и кристаллическую (имеющую структуру) фазы, с низкими и высокими показателями электропроводимости соответственно. Для записи 0 и 1 на ячейке PCM на материал воздействуют высоким или средним током. Значение 0 может быть записано в аморфной фазе, а 1 – в кристаллической фазе или наоборот. Для того, чтобы затем прочитать записанный бит, используется низкое напряжение. Подобным образом сохраняются видео на перезаписываемых Blu-ray дисках.

Ранее исследователи IBM и других институтов успешно продемонстрировали возможность хранения 1 бита информации в одной ячейке памяти PCM. Теперь на конференции IEEE International Memory Workshop в Париже было представлено надежное хранение трех битов данных в одной ячейке в массиве 64К при повышенных температурах и после 1 млн циклов.

Чтобы достичь многобитового хранения, в IBM разработали две технологии: защищенную от дрейфа систему измерения состояния ячейки и невосприимчивые к дрейфу схемы кодирования и обнаружения. Новая система измерения защищена от дрейфа электропроводимости, так как регистрирует физическое свойство ячейки PCM, остающееся неизменным с течением времени. Чтобы обеспечить дополнительную устойчивость записанных данных, используется новая схема кодирования и обнаружения. Она адаптивно модифицирует пороги обнаружения, подстраиваясь под температурные изменения характеристик ячейки. В результате запись в ячейке может быть надежно считана в течение длительного времени после того, как память была запрограммирована.

Используемый исследователями IBM экспериментальный мультибитный чип PCM подключен к стандартной интегрированной плате. Он состоит из массива M-ячеек 2х2 на базе 4-банковой архитектуры с чередованием. Размер массива памяти – 2х1000х800 мкм. Ячейки PCM основаны на легированном халькогенидном элементе и были интегрированы в прототип чипа, служившем в качестве средства определения характеристик и изготовленном по 90-нм КМОП-технологии.

Хранение трех битов информации в одной ячейке – это настоящий прорыв, подчеркивают в IBM Research, поскольку при такой плотности стоимость PCM-памяти значительно ниже, чем DRAM и почти равна стоимости флэш-памяти.